Витамин С: структура, химические свойства, значение (стр. 2 из 6)
Кроме того, было известно, что в молекуле присутствуют еще две спиртовые ОН-группы, которые при обработке ацетоном образуют производное изопропилидена, также содержащее два енольных гидроксила. Дальнейшее окисление дегидроаскорбиновой кислоты гипоиодитом натрия в щелочной среде приводит к образованию щавелевой и L-треониновой кислот, причем последняя была идентифицирована по ее последовательным превращениям в известные со соединения — L-диметоксисукцинамид и три-О-метил-ь-треонамид. Описанные превращения помогли установить стереохимическое родство природной L-аскорбиновой кислоты и углеводов L-ряда, а также выяснить, что карбонильная группа лактона соседствует непосредственно с ендиольной группировкой (рис. 3.3). Теперь необходимо было выяснить размер лактонного кольца, и это удалось сделать в результате еще одного простого эксперимента. Было известно, что при обработке диазометаном L-аскорбиновая кислота превращается в ди-О-метильное производное. Дальнейшее метилирование иодметаном в присутствии оксида серебра приводит к образованию тетра-О-метилированного соединения, озонолиз которого дает единственный продукт — нейтральный эфир. Под действием аммиака в метаноле эфир деградирует с образованием амида щавелевой кислоты и 3,4-ди-О-метил-Ь-треонамида; последний был идентифицирован по характерной для 2-гидроксиамидов реакции Веермана. Так было показано, что лактонное кольцо замыкается по положению С-2 треонамида, эквиэквивалентного положению С-4 тетра-О-метиласкорбиновой кислоты (рис. 3.4). Таким образом было установлено, что аскорбиновая кислота является 7-лактоном, который изображен на рис. 3.5.
Надо отметить, что в растворе в небольших количествах могут присутствовать и другие таутомерные формы. Асимметрический центр при С-5 имеет L- конфигурацию (или S-конфигурацию согласно системе Кана — Ингольда — Прелога). Кислотные свойства раствора аскорбиновой кислоты обусловлены ионизацией ендиольного гидроксила при С-3 (рКа 4,25), что приводит к делокализации отрицательного заряда в образующемся анионе.
1.3 Уточнение структуры с помощью инструментальных методов
Развитие и совершенствование спектроскопических методов, последовавшее в годы после успешного установления структуры L-аскорбиновой кислоты, позволило более глубоко проникнуть в структуру молекулы.
1.3.1 Дифракция рентгеновского излучения
Впервые рентгеноструктурный анализ L-аскорбиновой кислоты был выполнен еще в начале 30-х гг. с целью помочь структурным исследованиям, проводимым в Бирмингеме, и фактически подтвердил выводы бирмингемской группы. В 60-е гг. в работе Хвослефа из Осло, выполненной с помощью методов рентгеновской и нейтронной дифракции, было обнаружено, что кристаллы аскорбиновой кислоты относятся к моноклинной пространственной группе с четырьмя молекулами в элементарной ячейке. В кристалле существует два типа молекул (А и В) с восемью межмолекулярными водородными связями (рис. 3.7).
Конформации молекул А и В фактически идентичны в том смысле, что в обоих случаях С-5—ОН расположена антиперипланарно относительно С-4—Н и С-6-ОН (рис. 3.8). Соли L-аскорбиновой кислоты содержат резонансно-стабилизированный аскорбатный анион, образующийся при депротонировании
С-3—ОН. Рентгеноструктурные данные подтверждают ожидаемое изменение длины связей в конъюгированной системе аниона О—С-3=С-2-С-1=О по сравнению с нейтральной молекулой (табл. 3.2).
Во многих солях аскорбиновой кислоты суммарный эффект координированного иона металла и водородного связывания приводит к тому, что С-6—ОН находится в синклинальной (или гош)
ориентации относительно С-5—ОН.
1.3.2 Ультрафиолетовая спектроскопия
УФ-спектр L-аскорбиновой кислоты при рН 2 имеет максимум поглощения при 243 нм (е = 10 000 моль~1дм3см~1), который при рН 7,0 сдвигается в красную область к 265 нм (е = 16 500моль_дм3см~1) за счет депротонирования С-3—ОН группы.
Эти изменения соответствуют π → π* электронному переходу в сопряженной двойной углерод-углеродной связи пятичленного лактонного кольца.
1.3.3 Инфракрасная спектроскопия
В ИК-спектре L-аскорбиновой кислоты имеется ряд интересных
максимумов поглощения.(рис.3.9)
Особенный интерес представляет область валентных колебаний
О—Н от 4000 до 2000 см -1 (рис.3.10).
Так как длины водородных связей (и соответственно прочность) в кристалле известны, можно провести корреляцию этих максимумов поглощения и характеристических валентных колебаний ОН-групп, участвующих в образовании водородных связей. Очевидно, что четыре отчетливых пика в высокочастотном крыле спектра соответствуют спиртовым ОН-группам при С-5 и С-6 боковой цепи (табл. 3.3).
Енольные гидроксилы при С-2 и С-3 участвуют в образовании более прочных водородных связей с укороченным расстоянием О-О (0,261-0,267 нм), что выражается в виде сложной серии уширенных полос в области 3100-2200см -1, соответствующих молекулам А и В. Несомненно, пик с максимумом поглощения 2915 см -1 вблизи высокочастотного крыла спектра является следствием наложения сигналов валентных колебаний С-Н. Что касается низкочастотных сигналов, сильное поглощение при 1754 см -1 было отнесено за счет валентных колебаний группы С=О пятичленного лактонного кольца, а интенсивный дублет при 1675 и 1660 см -1 — за счет валентных колебаний группы С=С (на которые накладываются колебания вдоль всей сопряженной системы). Сигнал при 1460 см -1 приписан ножничным колебаниям группы СН2 .
Несмотря на сложность области характеристических колебаний, были сделаны попытки провести их корреляции, например:
полоса при 1320 см -1 приписана деформации С-2-ОН, полоса при 1275 см -1 — колебаниям С-2—О, полоса при 1140 см -1 — колебаниям С-5—О и полосы при 1025/990 см -1 — деформации лактонного кольца.
1.3.4 Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
В спектре 13С ЯМР L-аскорбиновой кислоты при полном подавлении спин-спинового взаимодействия с протонами, как и ожидалось, появились сигналов, которые были соотнесены с конкретными атомами молекулы (рис. 3.11).
Неполное подавление спин-спинового взаимодействия с протонами приводит к ожидаемому расщеплению сигналов, т. е. С-1, С-2 и С-3 (синглеты), С-4 и С-5 (дуплеты) и С-6 (триплет). Сигналы С-4 и С-5 удалось дифференцировать после того, как был получен спектр при полном подавлении спин-спинового взаимодействия с протонами производного, дейтерированного по положению 4, где сигнал при 77δ м. д. стал триплетом вследствие спин-спинового взаимодействия с дейтерием. Сигнал С-3 был идентифицирован благодаря его большому (19δ м. д.) слабопольному сдвигу при изменении рН от 2 до 7, что приводит к депротонированию С-3—ОН. Особенно интересен спектр 1Н ЯМР L-аскорбиновой кислоты, так как его тщательный анализ позволяет определить конформацию молекулы в водном растворе. При снятии спектра в D2O четыре протона ОН-групп замещаются на дейтерий и не проявляются в виде сигналов. Остальные четыре протона (Н-6, Н-6', Н-5 и Н-4) образуют систему АВМХ, причем протоны при С-6 неэквивалентны из-за хиральности атома С-5.
Тонкая структура этих сигналов не проявляется в низких магмагнитных полях (60 или 100 МГц), но выше 300 МГц обнаруживается спин-спиновое взаимодействие, не являющееся взаимодействием первого порядка. Это расщепление особенно заметно в спектре 1Н ЯМР аскорбата натрия (рис. 3.12).
Значения констант спин-спинового взаимодействия J, полученные из таких спектров, позволяют определить преимущественную конформацию L-аскорбиновой кислоты в водном растворе. Например, найдено, что Jh4,H5 составляет 1,8 Гц. Это соответствует предсказанному значению для конформации, изображенной на рис. 3.13. Таким образом, преимущественная конформация вокруг связи С-4—С-5 в водном растворе такая же, как и в кристалле (рис. 3.8).
В равной степени информативна корреляция констант спин-спинового взаимодействия с конформацией вокруг связи С-5—С-6.
Возможные стабильные конформеры представлены на рис. 3.14. Предположив, что наблюдаемые константы спин-спинового взаимодействия являются весовым усреднением теоретических величин для трех конформеров, можно вычислить их населенность (табл. 3.4). И снова предпочтительная конформация вокруг связи С-5—С-6 в растворе идентична обнаруженной в кристалле. Сходство преимущественных конформации боковых цепей в кристаллической решетке и в растворе объясняется, возможно, отсутствием в обоих случаях внутримолекулярных водородных связей. Но, конечно, прочные межмолекулярные водородные связи образуются между соседними молекулами аскорбиновой кислоты в кристалле и с молекулами воды в водном окружении.
1.3.5Масс-спектрометрия
В масс-спектре L-аскорбиновой кислоты, зафиксированном при ионизации молекулы под действием электронного удара, имеется интенсивный пик с m/е 116 наряду с пиком молекулярного иона (m/е 176) (рис. 3.15). Было высказано предположение, что фрагментация происходит за счет отщепления боковой цепи с последующим разрушением кольца, что соответствует наличию наиболее интенсивных сигналов (рис. 3.16).